Fotosinteza: mecanism fundamental pentru viața pe această planetă, flagelul studenților la biologie GCSE și acum o modalitate potențială de combatere a schimbărilor climatice. Oamenii de știință lucrează din greu pentru a dezvolta o metodă artificială care imită modul în care plantele folosesc lumina soarelui pentru a transforma CO2 și apa în ceva pe care îl putem folosi ca combustibil. Dacă va funcționa, va fi un scenariu câștig-câștig pentru noi: nu numai că vom beneficia de energie regenerabilă produsă în acest mod, dar ar putea deveni și o modalitate importantă de a reduce nivelurile de CO2 din atmosferă.
Cu toate acestea, plantele au avut nevoie de miliarde de ani pentru a dezvolta fotosinteza și nu este întotdeauna o sarcină ușoară să replici ceea ce se întâmplă în natură. În acest moment, pașii de bază în fotosinteza artificială funcționează, dar nu foarte eficient. Vestea bună este că cercetările în acest domeniu sunt din ce în ce mai rapide și există grupuri din întreaga lume care fac pași spre valorificarea acestui proces integral.
Fotosinteza în doi pași
Fotosinteza nu este doar captarea luminii solare. O șopârlă care se scaldă la soarele cald poate face asta. Fotosinteza a evoluat în plante ca o modalitate de a capta și stoca această energie (bitul foto) și de a o converti în carbohidrați (bitul de sinteză). Plantele folosesc o serie de proteine și enzime alimentate de lumina soarelui pentru a elibera electroni, care la rândul lor sunt folosiți pentru a converti CO2 în carbohidrați complecși. Practic, fotosinteza artificială urmează aceiași pași.
A se vedea posturile de iluminat aferente din Londra sunt transformate în puncte de încărcare Energia solară în Marea Britanie: Cum funcționează energia solară și care sunt avantajele acesteia?
În fotosinteza naturală, care face parte din ciclul carbonului natural, avem lumină, CO2 și apă care intră în plantă, iar planta produce zahăr, explică Phil De Luna, doctorand care lucrează la Departamentul de Inginerie Electrică și Calculatoare de la Universitate din Toronto. În fotosinteza artificială, folosim dispozitive și materiale anorganice. Porțiunea efectivă de recoltare solară este realizată de celule solare, iar porțiunea de conversie a energiei se face prin catalizatori [reacții în prezență] electrochimice.
Ceea ce atrage cu adevărat acest proces este capacitatea de a produce combustibil pentru stocarea de energie pe termen lung. Acest lucru este mult mai mult decât ceea ce pot face sursele de energie regenerabile actuale, chiar și cu tehnologia emergentă a bateriilor. Dacă soarele nu este afară sau dacă nu este o zi cu vânt, de exemplu, panourile solare și fermele eoliene pur și simplu nu mai produc. Pentru depozitarea sezonieră prelungită și depozitarea în combustibili complexi, avem nevoie de o soluție mai bună, spune De Luna. Bateriile sunt excelente pentru zi cu zi, pentru telefoane și chiar pentru mașini, dar nu vom rula niciodată un [Boeing] 747 cu baterie.
Provocări de rezolvat
Când vine vorba de crearea celulelor solare - primul pas în procesul de fotosinteză artificială - avem deja la dispoziție tehnologia: sistemele de energie solară. Cu toate acestea, panourile fotovoltaice actuale, care sunt de obicei sisteme bazate pe semiconductori, sunt relativ scumpe și ineficiente în comparație cu natura. Este necesară o nouă tehnologie; una care irosește mult mai puțină energie.
Gary Hastings și echipa sa din Georgia State University, Atlanta , s-ar putea să fi dat peste un punct de plecare atunci când se uită la procesul original din plante. În fotosinteză, punctul crucial implică deplasarea electronilor pe o anumită distanță în celulă. În termeni foarte simpli, această mișcare cauzată de lumina soarelui este transformată ulterior în energie. Hastings a arătat că procesul are o natură foarte eficientă, deoarece acești electroni nu se pot întoarce la poziția lor inițială: dacă electronul se întoarce de unde a venit, atunci energia solară se pierde. Deși această posibilitate este rară la plante, se întâmplă destul de frecvent la panourile solare, explicând de ce sunt mai puțin eficiente decât lucrurile reale.
Hastings consideră că această cercetare ar putea avansa tehnologiile celulelor solare legate de producția de substanțe chimice sau de combustibil, dar el subliniază repede că aceasta este doar o idee în acest moment și că este puțin probabil ca acest avans să se întâmple în curând. În ceea ce privește fabricarea unei tehnologii cu celule solare complet artificiale, concepută pe baza acestor idei, cred că tehnologia este mai departe în viitor, probabil că nu în următorii cinci ani, nici măcar pentru un prototip.
O problemă a cercetătorilor consideră că suntem aproape de a rezolva implică al doilea pas al procesului: conversia CO2 în combustibil. Deoarece această moleculă este foarte stabilă și este nevoie de o cantitate incredibilă de energie pentru ao sparge, sistemul artificial folosește catalizatori pentru a reduce energia necesară și pentru a ajuta la accelerarea reacției. Cu toate acestea, această abordare aduce propriul set de probleme. Au fost multe încercări în ultimii zece ani, cu catalizatori din mangan, titan și cobalt, dar utilizarea prelungită s-a dovedit a fi o problemă. Teoria poate părea bună, dar fie încetează să funcționeze după câteva ore, devin instabile, încetinesc sau declanșează alte reacții chimice care pot deteriora celula.
Dar o colaborare între cercetătorii canadieni și chinezi pare să fi ajuns la jackpot . Au găsit o modalitate de a combina nichelul, fierul, cobaltul și fosforul pentru a funcționa la un pH neutru, ceea ce face ca funcționarea sistemului să fie considerabil mai ușoară. Deoarece catalizatorul nostru poate funcționa bine în electroliți cu pH neutru, care este necesar pentru reducerea CO2, putem efectua electroliza reducerii CO2 într-un sistem fără membrană și, prin urmare, tensiunea poate fi scăzută, spune Bo Zhang, de la Departament de Științe Macromoleculare la Universitatea Fudan, China. Cu o conversie impresionantă de energie electrică-chimică de 64%, echipa este acum deținătoare de recorduri cu cea mai mare eficiență pentru sistemele de fotosinteză artificială.
cum să privim povestea cu cineva despre Snapchat
Cea mai mare problemă cu ceea ce avem acum este scala
Pentru eforturile depuse, echipa a ajuns în semifinale la NRG COSIA Carbon XPRIZE, care le-ar putea câștiga 20 de milioane de dolari pentru cercetare. Scopul este de a dezvolta tehnologii avansate care vor converti emisiile de CO2 provenite de la centralele electrice și instalațiile industriale în produse valoroase și cu sistemele lor de fotosinteză artificială îmbunătățite, au șanse mari.
Următoarea provocare este creșterea. Cea mai mare problemă cu ceea ce avem acum este scala. Când ne extindem, ajungem să pierdem eficiența, spune De Luna, care a fost, de asemenea, implicat în studiul lui Zhang. Din fericire, cercetătorii nu și-au epuizat lista de îmbunătățiri și încearcă acum să facă catalizatorii mai eficienți prin diferite compoziții și configurații diferite.
Câștigând pe două fronturi
Cu siguranță există încă loc de îmbunătățire atât pe termen scurt, cât și pe termen lung, dar mulți consideră că fotosinteza artificială are potențialul de a deveni un instrument important ca tehnologie curată și durabilă pentru viitor.
Este incredibil de interesant, deoarece terenul se mișcă atât de repede. În ceea ce privește comercializarea, ne aflăm în punctul culminant, spune De Luna, adăugând că, dacă funcționează, va depinde de o mulțime de factori, care includ politica publică și adoptarea de către industrie a acceptării tehnologiei energiei regenerabile.
A face corect știința este într-adevăr doar primul pas, atunci. În urma cercetărilor efectuate de Hastings și Zhang, va veni mișcarea crucială de a absorbi fotosinteza artificială în strategia noastră globală în jurul energiei regenerabile. Miza este mare. Dacă va trece, vom câștiga pe două fronturi - nu numai producând combustibili și produse chimice, ci și reducând amprenta de carbon în acest proces.
